Carl Friedrich Gauss

Johann Carl Friedrich Gauss ; (Braunschweig, 30 de abril de 1777-Gotinga, 23 de febrero de 1855) fue un matemático, astrónomo y físico alemán que contribuyó significativamente en muchos ámbitos, incluida la teoría de números, el análisis matemático, la geometría diferencial, la estadística, el álgebra, la geodesia, el magnetismo y la óptica. Considerado ya en vida como Princeps Mathematicorum, príncipe de los matemáticos, Gauss ha tenido una influencia notable en muchos campos de las matemáticas y de la ciencia. Fue de los primeros en extender el concepto de divisibilidad a otros conjuntos además de los números enteros.

Gauss pronto fue reconocido como un niño prodigio, pese a provenir de una familia campesina de padres con poca cultura: su madre sabía leer, aunque no escribir; su padre sí, pero en cuanto a las matemáticas, no pasaba de la aritmética más elemental. De Carl Friedrich Gauss existen muchas anécdotas acerca de su asombrosa precocidad. Hizo sus primeros grandes descubrimientos en el bachillerato, siendo apenas un adolescente, y completó su magnum opus, Disquisitiones arithmeticae, a los veintiún años (1798), aunque la obra no se publicó hasta 1801. Constituye un trabajo fundamental como consolidación de la teoría de los números y ha moldeado esta área hasta los días presentes.

Biografía

Infancia y juventud 

Johann Carl Friedrich Gauss nació en el Ducado de Brunswick, Alemania, en el seno de una familia humilde. La madre, Dorothea Gauss, de soltera Bentze, era lista, de temperamento alegre y carácter firme. Había trabajado de criada antes de convertirse en la segunda esposa de Gebhard Dietrich Gauss. Su hijo estuvo muy ligado a ella, durante toda la vida, El padre pasó por muchas profesiones; entre ellas, jardinero, carnicero, albañil, asistente de comerciante y cajero de una pequeña casa de seguros. Hay anécdotas según las cuales Carl Friedrich a los tres años ya corregía las cuentas de su padre. 

Desde muy pequeño, sin que nadie lo ayudara, a una temprana edad, asimiló muy rápido la aritmética elemental. Él mismo dijo, más tarde, que aprendió a calcular antes que a hablar. En 1784, a los siete años de edad, ingresó a una de las escuelas de primeras letras de Brunswick donde daba clases un maestro rural llamado Büttner, quien corrigió rápidamente su lectura, le enseñó la gramática y la ortografía del alto alemán estándar (ya que la lengua nativa de Gauss era el bajo alemán), así como caligrafía, además de perfeccionar su talento matemático. Lo animó a continuar el bachillerato, como consta en la carta que escribió para que lo admitieran en el gymnasium. Sin embargo, sus métodos severos y una estricta disciplina intimidaban a un muchacho sensible. 

Se cuenta la anécdota de que, a sus nueve años, durante la clase de aritmética, el maestro propuso el problema de sumar los números del 1 al 100, con la mera finalidad de mantener entretenidos a los chicos. Gauss halló la respuesta correcta al cabo de poquísimo tiempo. Cuando terminó la hora se comprobaron las soluciones y se vio que la de Gauss era correcta, mientras que no lo eran muchas de las de sus compañeros. 

Él, en vez de sumar directamente, había observado que tomando los números por pares, el primero y el último, luego el segundo y el penúltimo, y así sucesivamente, se obtiene 100+1 = 99+2 = 98+3 = 101 …, es decir, lo que se le pedía era equivalente a multiplicar 101 x 50: el pequeño Gauss había descubierto la fórmula de la suma de los términos de una progresión aritmética.

A los catorce años, fue presentado ante el duque de Brunswick, quien decidió ayudarle económicamente, lo que le permitió continuar sus estudios en el Collegium Carolinum, una escuela de élite. Allí sorprendió a todos con su facilidad para las lenguas. Llegó a dominar el griego y el latín en muy poco tiempo. Estuvo tres años en el Collegium y, al salir, no tenía claro si quería dedicarse a las matemáticas o a la filología. En esa época ya había descubierto su ley de los mínimos cuadrados, lo que indica el temprano interés de Gauss por la teoría de errores de observación y su distribución.

A los diecisiete años tuvo sus primeras ideas intuitivas sobre la posibilidad de otro tipo de geometría. A los dieciocho, Gauss se dio a la tarea de completar lo que, a su juicio, habían dejado sin concluir sus predecesores en materia de teoría de números. Así descubrió su pasión por la aritmética, área en la que poco después tuvo sus primeros triunfos. Su gusto por la aritmética prevaleció por toda su vida, ya que para él «las matemáticas serían la reina de las ciencias y la teoría de números sería la reina de las matemáticas».

Madurez 

En 1796 demostró que se puede dibujar un polígono regular de 17 lados con regla y compás.

Fue el primero en probar rigurosamente el teorema fundamental del álgebra (disertación para su tesis doctoral en 1799), aunque una prueba casi completa de dicho teorema había sido presentada por Jean Le Rond d'Alembert anteriormente. Profundizó en ecuaciones diferenciales y secciones cónicas.

En 1801 publicó el libro Disquisitiones arithmeticae, con seis secciones dedicadas a la teoría de números, dándole a esta rama de las matemáticas una estructura sistematizada. En la última sección del libro expone su tesis doctoral. Ese mismo año predijo la órbita de Ceres aproximando parámetros por mínimos cuadrados. La búsqueda del planetoide había despertado gran interés en el mundo científico.

En 1809 fue nombrado director del Observatorio de Gotinga, puesto en que se mantuvo el resto de su vida, a pesar de que no le faltaban ofertas interesantes. En este mismo año publicó Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis Solem ambientium, describiendo cómo calcular la órbita de un planeta y cómo refinarla posteriormente. Estos métodos están a día de hoy un poco modificados, sobre todo porque se han adaptado al uso de grandes ordenadores, pero en lo esencial no se han podido mejorar. Pero Gauss se dedicó a más actividades aparte de las matemáticas y la astronomía. Puso en marcha la agrimensura de Hannover, y en los primeros años se encargó él solo prácticamente de todo, del trabajo de campo y de la evaluación de los datos. Con Wilhelm Weber estudió la electricidad y el magnetismo, de donde se obtuvo, como producto secundario, el telégrafo.

En 1835 Carl Friedrich Gauß formularía la ley de Gauss, o teorema de Gauss. Esta ley sería una de sus contribuciones más importantes en el campo del electromagnetismo, y de ella derivarían dos de las cuatro ecuaciones de Maxwell. Muchos de sus resultados e ideas no las llegó a publicar en vida. Él tenía que estar muy seguro de que su trabajo estaba perfecto, guiándose por el lema "Pauca sed matura", es decir, "Poco, pero maduro". Gauss era partidario de la severidad de los "antiguos geómetras", es decir, quería, derivar las afirmaciones matemáticas a partir de un pequeño número de axiomas, como hizo Euclides. Su rigor y su estilo han influido en las matemáticas hasta nuestros días.

Vida personal 
Gauss se casó en 1805 con Johanna Elizabeth Rosina Osthoff. Con ella tuvo tres hijos: Carl Joseph (1806 - 1873), Wilhelmina (1808 - 1840) y Louis en septiembre de 1809. La madre falleció al mes siguiente como consecuencia del parto, y el niño en marzo de 1810. Gauß cayó en una depresión. Volvió a casarse en agosto de ese año con la mejor amiga de Johanna, Friederica Wilhelmine Waldeck, que falleció en 1831 tras haber padecido de tuberculosis durante trece años. Con esta última tuvo tres hijos: el matemático Eugene (1811 - 1896), quien emigró a América y fundó un banco; Wilhelm August Carl Matthias (1813 - 1879), quien siguió a su hermano y también se hizo rico; y Henriette Wilhelmine Caroline Therese (1816 - 1864), la cual se ocupó del hogar tras la muerte de su madre y hasta el fallecimiento de Gauß, en Gotinga el 23 de febrero de 1855.

Creencias religiosas 
Gauss era un  luterano protestante, miembro de la iglesia evangélica luterana de St. Albans en Göttingen. Una posible evidencia de que Gauss creía en Dios proviene de su respuesta después de resolver un problema que lo había derrotado previamente: Finalmente, hace dos días, lo logré-no por mis duros esfuerzos, sino por la gracia del Señor. Uno de sus biógrafos, G. Waldo Dunnington, describió las opiniones religiosas de Gauss de la siguiente manera:

Aparte de su correspondencia, no se conocen muchos detalles sobre el credo personal de Gauss. Muchos biógrafos de Gauss no se ponen de acuerdo sobre su postura religiosa, ya que Bühler y otros lo consideran un deísta con opiniones muy poco ortodoxas, mientras que Dunnington (admitiendo que Gauss no creía literalmente en todos los dogmas cristianos y que se desconoce lo que creía en la mayoría de las cuestiones doctrinales y confesionales) señala que era, al menos, un luterano nominal. escribe:
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En relación con esto, existe un registro de una conversación entre  Rudolf Wagner y Gauss, en la que discutieron el libro de William Whewell De la pluralidad de mundos. En esta obra, Whewell había descartado la posibilidad de que existiera vida en otros planetas, basándose en argumentos teológicos, pero ésta era una postura con la que tanto Wagner como Gauss no estaban de acuerdo. Más tarde, Wagner explicó que no creía plenamente en la Biblia, aunque confesó que "envidiaba" a los que podían creer fácilmente. cita: 

Esto les llevó más tarde a discutir el tema de la fe, y en algunos otros comentarios religiosos, Gauss dijo que había sido más influenciado por teólogos como el ministro luterano Paul Gerhardt que por Moisés. Otras influencias religiosas fueron Wilhelm Braubach, Johann Peter Süssmilch y el Nuevo Testamento. Dos obras religiosas que Gauss leía con frecuencia eran la Seelenlehre de Braubach (Giessen, 1843) y la Gottliche de Süssmilch (Ordnung gerettet A756); también dedicó bastante tiempo al Nuevo Testamento en el original griego.

Dunnington profundiza en las opiniones religiosas de Gauss escribiendo: 

Gauss declaró que creía firmemente en la vida después de la muerte, y veía la espiritualidad como algo esencialmente importante para el ser humano. Se le citó afirmando: "El mundo sería un sinsentido, toda la creación un absurdo sin la inmortalidad" 

Aunque no era practicante, Gauss defendía firmemente la tolerancia religiosa, creyendo "que no está justificado perturbar la creencia religiosa de otro, en la que encuentra consuelo para las penas terrenales en tiempos de problemas". Cuando su hijo Eugene anunció que quería ser misionero cristiano, Gauss lo aprobó, diciendo que, independientemente de los problemas dentro de las organizaciones religiosas, el trabajo misionero era una tarea "altamente honorable".

Disquisitiones arithmeticae 

La primera estancia de Gauss en Gotinga duró tres años, que fueron de los más productivos de su vida. Regresó a su ciudad natal Brunswick a finales de 1798 sin haber recibido ningún título en la Universidad, pero en ese momento su primera obra maestra, Disquisitiones arithmeticae, estaba casi lista aunque no se publicó por primera vez hasta 1801.

Este libro, escrito en latín, está dedicado a su mecenas, el duque Ferdinand, por quien Gauss sentía mucho respeto y agradecimiento. Es un tratado de la teoría de números en el que se sintetiza y perfecciona todo el trabajo previo en esta área. La obra consta de 8 capítulos pero el octavo no se pudo imprimir por cuestiones financieras. El teorema fundamental del álgebra establece que un polinomio en una variable, no constante y a coeficientes complejos, tiene tantas raíces como su grado.

Contribuciones a la teoría del potencial 

El teorema de la divergencia de Gauss, de 1835 pero publicado en 1867, es fundamental para la teoría del potencial y la física. Coloca en un campo vectorial la integral del volumen para la divergencia de un campo vectorial en relación con la integral de superficie del campo vectorial alrededor de dicho volumen.

Carrera y logros

Álgebra
En su doctorado in absentia de 1799, Una nueva demostración del teorema de que toda función algebraica racional integral de una variable puede resolverse en factores reales de primer o segundo grado, Gauss demostró el teorema fundamental del álgebra que afirma que todo polinomio monovariable no constante con coeficientes complejos tiene al menos una raíz compleja. Matemáticos como Jean le Rond d'Alembert habían producido pruebas falsas antes que él, y la disertación de Gauss contiene una crítica al trabajo de d'Alembert. Irónicamente, según los estándares actuales, el propio intento de Gauss no es aceptable, debido al uso implícito del teorema de la curva de Jordan. Sin embargo, posteriormente produjo otras tres pruebas, la última de ellas en 1849, generalmente rigurosa. Sus intentos aclararon considerablemente el concepto de números complejos.

Gauss también hizo importantes contribuciones a la teoría de los números con su libro de 1801 Disquisitiones Arithmeticae (latín, Investigaciones Aritméticas), que, entre otras cosas, introdujo el símbolo de la «triple barra»  para la congruencia y lo utilizó en una presentación limpia de la aritmética modular, contenía las dos primeras pruebas de la ley de reciprocidad cuadrática, desarrollaba las teorías de las formas cuadráticas binarias y ternarias, enunciaba el problema del número de clase para ellas, y demostraba que un heptadecágono regular (polígono de 17 lados) puede ser construido con regla y compás. Parece que Gauss ya conocía la fórmula del número de clase en 1801.

Además, demostró los siguientes teoremas conjeturados:
 Teorema del número poligonal de Fermat para n = 3
 Último teorema de Fermat para n = 5
 Regla de los signos de Descartes
 Conjetura de Kepler para arreglos regulares

También
 explicó el pentagramma mirificum (véase sitio web de la Universidad de Bielefeld)
 desarrolló un algoritmo para determinar el fecha de Pascua
 inventó el algoritmo FFT de Cooley-Tukey para calcular las Transformada de Fourier discretas 160 años antes que Cooley y Tukey

Astronomía 

El 1 de enero de 1801, el astrónomo italiano Giuseppe Piazzi descubrió el planeta enano Ceres. Piazzi pudo rastrear a Ceres durante algo más de un mes, siguiéndolo durante tres grados a través del cielo nocturno. Luego desapareció temporalmente tras el resplandor del Sol. Varios meses después, cuando Ceres debería haber reaparecido, Piazzi no pudo localizarlo: las herramientas matemáticas de la época no eran capaces de extrapolar una posición a partir de una cantidad tan escasa de datos —tres grados representan menos del  de la órbita total—. Gauss se enteró del problema y lo abordó. Después de tres meses de intenso trabajo, predijo una posición para Ceres en diciembre de 1801 —aproximadamente un año después de su primer avistamiento— y resultó ser exacta con medio grado cuando fue redescubierto por Franz Xaver von Zach el 31 de diciembre en Gotha, y un día después por Heinrich Olbers en Bremen. Esta confirmación llevó finalmente a la clasificación de Ceres como planeta menor con la designación 1 Ceres: el primer asteroide (ahora planeta enano) jamás descubierto.

Levantamiento geodésico 

En 1818 Gauss, poniendo en práctica sus conocimientos de cálculo, realizó un levantamiento topográfico del Reino de Hannover, enlazando con anteriores levantamientos daneses. Para ayudar al levantamiento, Gauss inventó el heliotropo, un instrumento que utiliza un espejo para reflejar la luz del sol a grandes distancias, para medir posiciones.
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Geometrías no euclidianas 
Gauss también afirmó haber descubierto la posibilidad de geometrías no euclidianas, pero nunca la publicó. Este descubrimiento supuso un importante cambio de paradigma en las matemáticas, ya que liberó a los matemáticos de la creencia errónea de que los axiomas de Euclides eran la única forma de hacer que la geometría fuera coherente y no contradictoria.

Magnetismo 
En 1831, Gauss desarrolló una fructífera colaboración con el profesor de física Wilhelm Weber, que condujo a nuevos conocimientos sobre magnetismo (incluida la búsqueda de una representación de la unidad de magnetismo en términos de masa, carga y tiempo) y al descubrimiento de las  leyes de circuito de Kirchhoff en electricidad. Fue durante este tiempo que formuló la ley de su homónimo. Construyeron el primer telégrafo electromecánico en 1833, que conectaba el observatorio con el instituto de física de Gotinga. Gauss ordenó la construcción de un observatorio magnético en el jardín del observatorio, y con Weber fundó el Magnetischer Verein (asociación magnética), que apoyó las mediciones del campo magnético de la Tierra en muchas regiones del mundo. Desarrolló un método para medir la intensidad horizontal del campo magnético que estuvo en uso hasta bien entrada la segunda mitad del , y elaboró la teoría matemática para separar las fuentes internas y externas (magnetosféricas) del campo magnético de la Tierra.

Publicaciones 

 1799: Disertación sobre el teorema fundamental del álgebra, con el título Demonstratio nova theorematis omnem functionem algebraicam rationalem integram unius variabilis in factores reales primi vel secundi gradus resolvi posse (Nuevas pruebas del teorema donde cada función integral algebraica de una variable puede resolverse en factores reales de primer o segundo grado).
 1801: Disquisitiones Arithmeticae.
 1809: Theoria Motus Corporum Coelestium in sectionibus conicis solem ambientium (Teoría del movimiento de los cuerpos celestes que giran alrededor del sol en secciones cónicas), trad. al inglés × C. H. Davis, reimpreso en 1963, Dover, NY.
 1821, 1823 & 1826: Theoria combinationis observationum erroribus minimis obnoxiae. Tres disertaciones referentes al cálculo de probabilidades como fundamento de la Ley de Gauss de la propagación de errores. trad. al inglés × G. W. Stewart, 1987, Society for Industrial Mathematics.
 1827: Disquisitiones generales circa superficies curvas, Commentationes Societatis Regiae Scientiarum Gottingesis Recentiores. Volume VI, pp. 99-146. "Investigaciones generales sobre superficies curvas" (edición de 1965) Raven Press, New York, trad. × A. M. Hiltebeitel & J. C. Morehead.
 1843/44: Investigaciones sobre objetos de geodesia superior. Primera disertación., Disertaciones de la Sociedad Real de las Ciencias en Gotinga. Segundo tomo., pp.3-46.
 1846/47: Investigaciones sobre objetos de geodesia superior. Segunda disertación., Disertaciones de la Sociedad Real de las Ciencias en Gotinga. Tercer tomo., pp.3-44.
 Mathematisches Tagebuch 1796–1814, Ostwaldts Klassiker, Harri Deutsch Verlag 2005, mit Anmerkungen von Neumamn, ISBN 978-3-8171-3402-1 Diario matemático. Con anotaciones de Neumann.

Epónimos 
Llevan el nombre del matemático alemán:
 El Premio Carl Friedrich Gauss, entregado por la UMI (Unión Matemática Internacional) cada cuatro años desde 2006.
 El gauss es una unidad de medida de campo magnético. (En el Sistema Internacional de unidades se usa el tesla.)
 La Expedición Gauss, la primera expedición alemana a la Antártida, a bordo del barco Gauss.
 El cañón Gauss, un tipo de cañón a base de electroimanes.
GAUSS, un lenguaje de programación.
 La Torre Gauss o Gaußturm, una torre de observación en Dransfeld, Alemania.
 El asteroide (1001) Gaussia
 El cráter lunar Gauss
 Fórmulas y teoremas físicos y matemáticos:
 La distribución de Gauss o distribución normal es una distribución de probabilidad.
 La curva de Gauss, campana de Gauss o función gaussiana es una función matemática que describe la distribución de Gauss.
 La ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada en esta superficie.
 El teorema de la divergencia, también llamado teorema de Gauss o teorema de Gauss-Ostrogradsky, es un teorema que relaciona la divergencia matemática de un campo vectorial con el valor de la integral de superficie del flujo definido por este campo.
 El teorema de Gauss-Bonnet es una proposición sobre superficies que conecta su geometría con su topología.
 El sistema Gauss-Krüger, en cartografía, es un sinónimo del sistema de proyección Transverse Mercator.
 La cuadratura de Gauss es una aproximación de una integral definida de una función que selecciona los puntos de la evaluación de manera óptima y no en una forma igualmente espaciada.
 La eliminación de Gauss-Jordan es un algoritmo del álgebra lineal para determinar las soluciones de un sistema de ecuaciones lineales, encontrar matrices e inversas.

Véase también 
 Electricidad
 Historia de la electricidad
 Anexo:Astrónomos y astrofísicos notables
 Premio Carl Friedrich Gauss
 Eliminación de Gauss-Jordan
 Leonhard Euler
 1 + 2 + 3 + 4 + ⋯
 Curvatura gaussiana
 Theorema egregium

Notas

Referencias

Bibliografía 
 
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Enlaces externos 

 
 
 
 Biografía en la Universidad de Gotinga
 Gauß und Nachkommen (inglés)
 Obras colectivas de Gauss en línea, traducciones al alemán del texto en latín y comentarios de varias autoridades
 The 100 Greatest Mental Calculators

Niños prodigio
Autodidactas
Astrónomos de Alemania del siglo XVIII
Astrónomos de Alemania del siglo XIX
Físicos de Alemania del siglo XIX
Físicos de Alemania del siglo XVIII
Ópticos de Alemania
Estadísticos de Alemania
Matemáticos de Alemania del siglo XVIII
Matemáticos de Alemania del siglo XIX
Teóricos de números
Probabilistas
Geómetras
Personas relacionadas con la electricidad
Calculadoras humanas
Telegrafía
Luteranos de Alemania
Geodestas
Alumnado de la Universidad de Gotinga
Alumnado de la Universidad Técnica de Brunswick
Alumnado de la Universidad de Helmstedt
Profesores de la Universidad de Gotinga
Miembros de la Royal Society
Miembros de la Real Academia de las Ciencias de Suecia
Miembros de la Academia de Ciencias de Gotinga
Miembros de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos
Miembros de la Academia de Ciencias de Hungría
Pour le Mérite
Miembros de la Academia de las Ciencias de Turín
Medalla Copley
Miembros extranjeros de la Academia Nacional de Ciencias de Italia
Premio Lalande
Miembros de la Academia de Ciencias de Baviera
Matemáticos del siglo XIX
Nacidos en Brunswick
Carl Friedrich Gauss
Fallecidos en Gotinga